Ves al contingut. Salta a la navegació
20
Cat | Eng | Esp

ELISAVA TdD

Seccions
20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

Desenvolupament virtual de producte

Avaluar la funcionalitat, la seguretat, la qualitat, etc. d'un producte, pot ser llarg i costós. Els prototipus i els assaigs reals són eines determinants, però el seu ús exhaustiu en la fase de creació del producte pot encarir aquest procés i retardar la seva sortida al mercat, l'alternativa és combinar eines de disseny 3D i de simulació avançada.
L'experiència, l'assaig i els terminis de desenvolupament

La creació d'un nou producte, o la modificació d'un d'existent, sorgeix de la necessitat de satisfer unes demandes d'utilitat o respondre a unes expectatives del mercat. Aquestes demandes i expectatives prenen formes com: fer una nova funció, simplificar operacions, aconseguir les mateixes funcions a un preu més baix, etc.
La creativitat, l'experiència en uns productes i uns materials determinats acostumen a ser la base per trobar la resposta a les demandes esmentades. Allà on ja no es pot arribar amb aquestes eines, la construcció de prototipus i la realització d'assaigs proporcionen l'ajut necessari per acomplir els objectius.
Actualment, però, les necessitats i seguretat han crescut, els nous materials obren perspectives d'aplicació innovadores i, el més important, el mercat exigeix una resposta ràpida. En aquestes condicions basar la creació i el desenvolupament d'un nou producte en experiència i assaigs reals pot ser un procés llarg i costós. A tall d'exemple, presentem dos casos reals.
Un fabricant de vàlvules per a neumàtica planteja millorar i abaratir una de les seves vàlvules, substituint el dispositiu funcional composat d'una bola i una molla metàl·liques, per una peça única de material elastomèric (Figura . 1). La modificació és molt interessant: es redueix el nombre de peces i muntatges, la fabricació de cada una de les peces és molt senzilla i tot el procés es pot automatitzar. Però, com es dissenya aquesta peça d’ elastòmer per obtenir la mateixa funcionalitat i durabilitat que el producte original?
Caldrà fer prototipus reals, per tant, mecanitzar els cossos, emmotllar la peça d'elastòmer, etc. Caldran assaigs reals d'estànquitat, pressió màxima, durabilitat. Tots aquests assaigs ens donaran resultats del tipus passa-no passa, i molt possiblement l'elastòmer tindrà un comportament difícil de preveure amb l'experiència. Una bona planificació en els assaigs portarà a la solució òptima, però, el nombre de prototipus i el temps necessari per portar a terme aquests assaigs acabarà en uns costos i un temps de desenvolupament excessius.
Els dissenyadors de pilots de senyalització per automoció han d'aconseguir un producte que segueixi les línies estilístiques de la marea, sigui econòmic i acompleixi uns criteris òptics en qualsevol circumstància ambiental, un problema, derivar d'aquestes especificacions, és la temperatura que pot assolir el cos del pilot i que el pot arribar a deformar. Preveure aquesta situació a priori és difícil i determinar-la experimentalment molt car, ja que és necessari construir un motlle molt complex. Per altra banda, en l'assaig només es pot confirmar que les temperatures mesurades en la superfície deformen el pilor (Figura. 2), però no donen informació de com corregir-les.
Aquests exemples il·lustren la tesi principal d'aquest article: ens calen unes eines que permetin avaluar totes les especificacions d'un producte sense necessitat de tenir-lo físicament, i cal que aquestes eines aportin prou informació per determinar les causes dels problemes i trobar la solució òptima.
Un cop desenvolupat el producte amb aquestes eines, caldrà construir un prototipus i portar a terme els assaigs necessaris, però aquests ja només compliran una funció de verificació i control.


tdd_20_9_1      

Figura. 1 Valvula neumàtica


TDD-20-CA-CS-AN-9_2

Figura.2 Assaig de temperatura en un pilot de senyalització


Prototipus i assaigs virtuals

L
es eines esmentades, necessàries per avaluar el producte, les trobem en els sistemes de disseny en 3D assistit per ordinador i en els programes de càlcul numèric. El desenvolupament assolit els últims 10 anys en aquests camps, permet parlar actualment de prototipus i assaigs virtuals. En certa manera aquests conceptes poden substituir els seus homòlegs reals en el procés de creació i desenvolupament d'un nou producte. Però, a més, són la font d'informació imprescindible per detectar i resoldre problemes en el producte.
El prototipus virtual és la representació en sòlids 3D del producte en desenvolupament. En la Figura, 3 en veiem uns exemples.


TDD-20-CA-CS-AN-9_3

Figura. 3 Prototipus virtuals


Són representacions molt realistes del producte gràcies a les característiques dels sistemes avançats de disseny:
  • Geometria sòlida variacional,
  • Representació de superfícies complexes,
  • Representació de condicions de muntatge,
  • Acabats superficials, i
  • Sistemes d'il.luminació.

En un prototipus virtual podem avaluar propietats i característiques com:

  • Concepte, estil i aspecte.
  • Volums, massa i propietats d'inèrcia.
  • Toleràncies, interferències i jocs.
  • Condicions de muntatge, ergonomia, etc.

Si sobre aquests prototipus virtuals generem una discretització en elements o diferències finites, podrem simular els assaigs necessaris per avaluar funcionalitat, seguretat, qualitat, etc., és a dir, assajarem virtualment el nostre prototipus.
Hi ha una sèrie de característiques que han convertit els càlculs numèrics en assaigs virtuals, o el que és el mateix, simulacions realistes d'un assaig real.
  • La  implementació de tota mena de models de comportament de material mecànic, tèrmic, de fluid, etc.
  • La capacitat per abordar problemes acoblats (Figura.4), termo-mecànics, electro-tèrmics, termo-fluidodinàmics, etc.
  • La formulació del contacte entre superfícies (Figura. 5), que permet definir la interacció entre diferents peces, a nivell mecànic, tèrmic, etc.
  • La possibilitat de determinar grans desplaçaments i moviments de sòlid rígid (Figura. 6).


TDD-20-CA-CS-AN-9_4

Figura. 4  Simulació acoblada terrnomecànica


TDD-20-CA-CS-AN-9_5

Figura 5. Simulació d'impacte


TDD-20-CA-CS-AN-9_6

Figura. 6  Simulació d 'un mecanisme.


L
es dades que es poden obtenir d'aquests assaigs són moltes: tensions, deformacions, pressions en superfícies de contacte, balanç, energètic, temperatures, velocitats, acceleracions, etc. I totes elles en qualsevol punt del producte. De l'anàlisi d'aquestes magnituds podrem trobar solucions per:
  • Obtenir un millor aprofitament del material per complir unes funcions determinades,
  • Garantir la durabilitat del producte o fixar els seus marges de seguretat,
  • Buscar el mecanisme adient per la funció, etc.

E
n els dos exemples exposats en el punt anterior, els assaigs virtuals van permetre trobar la solució òptima ràpidament,
L'anàlisi de tensions i deformacions va permetre dimensionar correctament els gruixos de la peça elastomèrica, i et control de la pressió en les superfícies de contacte va determinar si el grau d'estanquitat, era suficient.
Amb l'ajut de l'estudi dels fluxos de calor i aire calent es van dissenyar les finestres de ventilació necessàries per evitar que les parets del pilot de senyalització arribessin a temperatures excessives.
En definitiva, l'ús dels prototipus i els assaigs virtuals permet estalviar en la construcció de prototipus reals y la realització d'assaigs. Per altra banda, les dades obtingudes en els assaigs virtuals son determinants per buscar solucions en els problemes detectats en el producte.


TDD-20-CA-CS-AN-9_7_1

TDD-20-CA-CS-AN-9_7_2

Figura. 7  Sirmulació de funcionament de la vàlvula neumàtica.


TDD-20-CA-CS-AN-9_8

Figura8.  Simulació del comportament tèrmic del pilot.


El desenvolupament virtual de producte

La generaci
ó de models numèrics a partir dels prototipus virtuals, pot ser una tasca complexa i llarga si es vol obtenir un model realista. En un procés de desenvolupament son moltes les entrades que obliguen a plantejar modificacions en el prototipus virtual.
Per aconseguir que els assaigs virtuals tinguin una resposta ràpida cal que les eines de disseny i generació de models numèrics estiguin vinculades de cal forma que les modificacions en el prototipus virtual es reprodueixin automàticament en els models numèrics (fig. 9).
En aquestes condicions podrem parlar de desenvolupament virtual de producte. Es generarà un prototipus virtual que podrà suportar tota mena de modificacions i en qualsevol estat es podran assajar virtualment les condicions requerides.El desenvolupament virtual ens permetrà reduir molt significativament el temps de desenvolupament i, pel fet de provar moltes alternatives de disseny, trobar la solució òptima pel producte (Figura.10).


TDD-20-CA-CS-AN-9_9

Figura 9. Integració de les eines de desenvolupament virtual


TDD-20-CA-CS-AN-9_10

Figura. 10 Beneficis del desenvolupament virtual.


Un cas real

Es tractava de desenvolupar un connector de seguretat per a petits electrodom
èstics.Les seves característiques principals havien de ser:
  • Dimensions reduïdes.
  • Capacitat per desconnectar-se en cas de tracció del cable.
  • Compliment de les normatives de seguretat a baixa tensió (resistència elèctrica, xocs, temperatura, etc).
Aquest producte es va desenvolupar virtualment. Un dels punts claus va ser disposar d'un prototipus virtual (fig. 11) detallat on es podien avaluar contínuament els costos del producte, els problemes de montatge, les toleràncies necessàries.
En cada modificació significativa s'assajaven les condicions de funcionament i les prescripcions de la normativa. Per exemple: la generació de la calor provocada pel pas de corrent (Figura. 12), els assaigs de resistència mecànica en calent (Figura. 13), la durabilitat dels contactes en maniobres continuades, etc. Els resultats van ser:
  • Reducció del temps de desenvolupament en un 50%,
  • Realització d'un sol prototipus, per motius comercials
  • Obtenció de les homologacions pertinents en la primera presèrie.


TDD-20-CA-CS-AN-9_11

Figura. 11 Prototipus virtual del connector


TDD-20-CA-CS-AN-9_12

Figura. 12 Assaig virtual de temperatura generada pel corrent


TDD-20-CA-CS-AN-9_13

Figura.13 Assaigs v irtuals de resisténcia en calent


Conclusions

El desenvolupament virtual de producte proporciona eines i m
ètodes per millorar el procés de creació i desenvolupament d'un nou producte. L'avaluació de les especificacions del producte mitjançant prototipus i assaig virtuals, permet estudiar moltes alternatives de disseny i trobar una línia coherent de millora del producte. En resum, permet escurçar dràsticament el temps de sortida al mercat amb el millor producte possible.




Sobre l'autor



JOSEP BUISAN FERRER


Enginyer Industrial. Expert en l'aplicació d'eines CAD/CAE en el desenvolupament de producte. Ha participat en projectes de R+D per a diferents sectors industrials.






Relacionat



20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

ANTONIO MIRAVETE, LUIS CASTEJÓN
Materials compostos


El present article pretén mostrar al lector l'ampli ventall de possibilitats que ofereixen els materials compostos en el camp de l'enginyeria i el disseny. Es presenten els diferents tipus de fibres, orgàniques i inorgàniques, així com els diferents tipus de matrius, fent un èmfasi especial en les orgàniques, que són les que donen nom als denominats materials compostos de matriu orgànica. Un segon bloc descriu el comportament dels materials compostos davant de diversos agents externs com puguin ser: agents ambientals, agents químics, agents llises i agents mecànics. El treball finalitza mostrant alguns dels exemples més característics d'aplicacions d'aquests materials.

[...]


20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

M. SÁNCHEZ SOTO, R. GÁMEZ, A. GORDILLO, P. PAGÈS, M. LL. MASPOCH
Disseny d'una peça de plàstic reciclat: Metodologia i aplicació


El disseny d'una peça de plàstic és un procés complex que implica el coneixement de les característiques mecàniques, elèctriques i físiques de la peca, i també dels processos de transformació. La principal tasca del dissenyador és traduir una sèrie de requeriments i idees prèvies en les dimensions i formes finals de la peça. Per aconseguir-ho de manera òptima, el dissenyador ha de fer ús, a banda de l'experiència i els coneixements propis, d'una metodologia de disseny adequada, l'objectiu d'aquest article és posar de manifest els passos a seguir quan s'aborda un disseny i la seva aplicació a una peça de plàstic fabricada en material reciclat.

[...]


20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

PABLO VICENTE LEGAZPI
Programari i escenaris de disseny


En aquest article, l'autor intenta centrar l'interès en els diferents aspectes que actualment estan involucrats en el procés de disseny, per acabar remarcant la creixent importància del factor humà, el treball en equip i els recursos de programari. Aquests temes influeixen definitivament en el tipus de formació del nou enginyer, més semblant a un enginyer-artístic que a un científic racionalista. Els recursos tecnològics i el ritme d'avenç dels desenvolupaments de programari superen la capacitat d'assimilació de qualsevol enginyer, per la qual cosa cal un entorn col·laboratiu. D'altra banda, un petit equip d'enginyers ben dotat d'eines té un potencial de creació inimaginable anys enrere.

[...]


20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

FCO. JAVIER PEÑA ANDRÉS
Aliatges amb memòria de forma, una filosofia diferent en l'enginyeria i el disseny amb materials


Els materials amb memòria de forma també anomenats materials intel·ligents posseeixen propietats que els diferencien de la resta de materials. Aquestes propietats no són propietats millorades respecte als altres materials convencionals, sinó que són noves propietats que fan que el procés de disseny amb materials hagi de ser modificat. La comprensió d'aquestes noves propietats i l'estandardització de tots els paràmetres que les caracteritzen per part de totes aquelles persones involucrades en el procés de disseny farà que aquests materials assoleixin una importància industrial que encara no tenen. En aquest article es descriuen totes les propietats que caracteritzen a aquest tipus de materials a la vegada que es fa una anàlisi de les seves possibilitats futures.

[...]


20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

ANTONI GONZÁLEZ DE CABAÑES, Santiago González Mestre
Disseny de peces de plàstic per a injecció


Aquest article pretén oferir una visió genèrica dels punts necessaris per realitzar el disseny d'una peça amb material plàstic que serà transformada mitjançant un procés d'emmotllat per injecció. Per obtenir una bona peça injectada de plàstic és important que es tinguin coneixements del disseny de la peça, del motlle d'injecció, de la matèria primera i del procés de transformació. Per això també es pretén donar a conèixer al dissenyador la problemàtica que presenten el procés d'injecció de termoplàstics i el motlle respecte del disseny de la peça. Un bon disseny serà, doncs, el que vinculi tots aquests aspectes.

Les diverses taules i figures que acompanyen el text aporten les dades necessàries per iniciar-se en el disseny de peces amb material plàstic.

[...]


16 DISSENY, TECNOLOGIA, COMUNICACIÓ, CULTURA, 2000

JORDI FARRÉ, ENRIC SAPERAS
La televisió: una finestra oberta al món?




16 DISSENY, TECNOLOGIA, COMUNICACIÓ, CULTURA, 2000

EVA PUJADAS CAPDEVILA
Renovar la mirada ètica per abastar la imatge televisiva




16 DISSENY, TECNOLOGIA, COMUNICACIÓ, CULTURA, 2000

BLANCA SALA LLOPART
Antropologia i arquitectura. L'apropiació de l'espai de l'habitatge




20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

F.J. GIL, M.P. GINEBRA, J.A. PLANELL
Biomaterials


És ben sabut que la Ciència i Tecnologia dels Biomaterials és una disciplina de creació molt recent. Fins al punt que encara no existeix una normativa sòlida relativa a l'avaluació de la biocompatibilitat dels biomaterials. El treball que presentem pretén introduir el concepte de biomaterial i descriure'n els tipus i les aplicacions mèdiques i quirúrgiques. Els biomaterials conformen una àrea interdisciplinària en què han d'intervenir tant enginyers mecànics i de materials com dissenya dors, biòlegs cel·lulars, metges i cirurgians. La característica que tia de complir qualsevol biomaterial és ser biocompatible. En conseqüència, analitzarem el concepte de biocompatibilitat i les tècniques habituals per avaluar-la. A continuació descriurem els tipus de materials que s'utilitzen com a biomaterials en tecnologia mèdica o bioenginyeria. Finalment, farem una descripció dels aparells o sistemes en els quals trobem aplicació de biomaterials. Aquests aparells cobreixen un espectre tan ampli que inclou tant sutures com pròtesis vasculars o ortopèdiques o fins òrgans artificials.

[...]


20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

SERGIO OLLER, EUGENIO OÑATE
Predicció de vida en estructures


Aquest treball és una ressenya breu sobre problema de la predicció de vida, o estudi de la durabilitat, dels materials estructurals sotmesos a accions mecàniques, tèrmiques i químiques. Aquest article està enfocat a les tècniques numèriques i ressalta la potencialitat d'aquest tipus d’eina en l’estudi d’estructures sotmeses a fenòmens altament complexos i acoblats.

[...]